Мне всегда хотелось разработать свой ноутбук. Сейчас, благодаря развитию систем на базе ARM-процессоров, эта задача сильно упростилась и стала вполне реальной.
В данной статье я расскажу о том, какие возможны варианты создания своего портативного устройства на базе ARM, приведу примеры подобных устройств, опишу свой путь и проблемы, с которыми я столкнулся.
Введение
В отличие от процессоров x86, ARM-чипы содержат на борту ряд периферии, что сильно упрощает конструкцию материнской платы. Так, например, существуют даже процессоры RV1106G3, в которых сразу встроена оперативная память. Для разработки простейшего компьютера на базе такого процессора достаточно развести плату - это не сложнее, чем сделать плату для Arduino на базе микроконтроллера. Одним из примеров таких плат являются одноплатники Luckfox Pico, о которых я как-то рассказывал в статье.
Также процессоры ARM по большей части рассчитаны на небольшое энергопотребление (до 5 Вт), что сильно упрощает схему питания и охлаждения.
Ещё одним важным плюсом ARM является популярность одноплатных компьютеров на их базе. Многие производители выкладывают в открытый доступ принципиальные схемы своих плат, что сильно помогает в проектировании.
Варианты материнских плат
На данный момент есть несколько вариантов реализации материнской платы для вашего портативного устройства:
Своя плата с процессором
Первый - самый очевидный вариант: разработать свою материнскую плату, на которой будет распаян процессор и вся необходимая периферия.
В такой компоновке можно реализовать один из самых простых вариантов. Так, например, можно взять процессор RV1106G3, добавить к нему микроконтроллер с подключением по UART и простейшую схему питания, а на микроконтроллере реализовать управление клавиатурой и вывод изображения на экран. Собственно, всё! В результате получится простейший портативный компьютер с Linux для работы через консоль. Не нужно никаких сложных схем и драйверов. Однако недостатков у такого подхода тоже много. Низкая производительность и консольный интерфейс делают такое устройство специфическим и не особо интересным для широкого круга задач.
Я не знаю примеров подобной реализации в виде единой платы, но есть устройства, схожие по функционалу: Beepberry и PicoCalc.
Также при таком подходе можно реализовать и наоборот - продвинутое устройство со сложной платой и богатой периферией. Эта задача достаточно сложная и дорогая для хобби-проекта. Я знаю только один пример подобной реализации - OpenPandora.
Core-модуль
Второй вариант реализации - использование core-модулей. Такой модуль содержит основные компоненты: процессор, оперативную память, eMMC, Wi-Fi и Bluetooth. Он берет на себя самую сложную часть разводки материнской платы и целиком напаивается на вашу основную плату с периферией. Такой подход позволяет значительно упростить задачу, сохранив при этом все преимущества собственной разработки платы.
К сожалению, данный вариант хорош только в теории: на практике с ним связан ряд проблем. Подобных модулей очень мало в продаже. У более-менее популярных китайских производителей есть только пара слабых моделей, а на доступные мощные модели отсутствует какая-либо документация.
Я встречал реализацию с подобным модулем только в одном китайском устройстве.
Compute-модуль
Следующий вариант - использование compute-модуля. Он, так же как и core-модуль, содержит основные компоненты: процессор, память... Но, в отличие от core-модуля, compute-модуль устанавливается на материнскую плату через разъём, что делает возможным его замену или апгрейд. За свой функционал и универсальность подобная компоновка «расплачивается» габаритами: материнская плата с compute-модулем получается заметно толще.
Compute-модули присутствуют в линейке плат Raspberry Pi. Такие модули обладают хорошей поддержкой и совместимостью с различным ПО. Благодаря этому подобная компоновка достаточно популярна в данный момент. На базе подобных модулей существует несколько портативных устройств, класс которых получил название «cyberdeck». Наиболее известные устройства с подобной компоновкой: uConsole, Hackberry CM5, DevTerm CM4.
Одноплатный компьютер
Самый простой вариант - использовать одноплатный компьютер как готовую материнскую плату, а дополнительные интерфейсы могут быть выполнены в виде отдельных шилдов.
Примеры: Pi Flux, Beepberry, PocketTerm35.
Периферия
Портативные устройства из-за своей компактности требуют особого подхода к выбору периферии. В ноутбук не получится «запихнуть» обычный монитор и USB-клавиатуру.
Дисплей
Вопрос с подключением дисплея оказался для меня наиболее сложным и до конца не решённым. Для подключения есть несколько возможных подходов:
Наиболее простой вариант. Подключение микроконтроллера к отладочному UART-интерфейсу и вывод консольной информации через этот микроконтроллер.
Подключение дисплея по SPI-интерфейсу. Процесс схож с подключением дисплея к микроконтроллеру. На дисплей можно вывести рабочий стол либо «вручную» отрисовывать свой интерфейс из приложения. Данный вариант достаточно прост, но при этом малоэффективен. Для рабочего стола у таких дисплеев недостаточно разрешения и производительности, а при выводе информации только из одного приложения устройство перестаёт быть полноценным компьютером.
Вывод на дисплей через шлейф по интерфейсу MIPI DSI. Это наиболее правильный, но и самый сложный вариант. Проблема в том, что данный интерфейс не стандартизирован. Под каждую линейку дисплеев нужен свой драйвер, у каждого дисплея своя распиновка шлейфа, а какая-либо документация в открытом доступе полностью отсутствует. Кроме того, нужно ещё обеспечить питание подсветки (~10–20 В).
Вывод через HDMI. Это простой и универсальный способ вывести изображение с хорошей производительностью и совместимостью. Но при этом такое решение получается более громоздким и потребует дополнительный модуль-преобразователь, т. к. почти все компактные дисплеи имеют MIPI или подобный интерфейс, который нужно конвертировать в HDMI.
Клавиатура
Я считаю, что для компактного автономного устройства клавиатуру нужно реализовывать самостоятельно, т. к. иначе не получится сделать устройство одновременно удобным с точки зрения эргономики и компактным.
Для подключения клавиатуры также есть несколько вариантов:
USB-HID - самый простой и оптимальный вариант. Многие современные микроконтроллеры поддерживают такой режим; для них доступно большое количество примеров и библиотек. Для слабых моделей микроконтроллеров AVR (которые часто встречаются в Arduino) можно использовать программную реализацию V-USB на низкой скорости, чего более чем достаточно для клавиатуры и мыши. Также данный вариант по умолчанию поддерживается в Linux и не требует дополнительных настроек.
Подключение по шине I2C по протоколу HID over I2C. Это практически полный аналог USB-HID, но у данного варианта есть много неприятных нюансов. Практически нет открытых реализаций, библиотек, статей и примеров по протоколу HID over I2C, так что с его реализацией придётся повозиться. HID over I2C поддерживается в Linux, но его предварительно нужно активировать. А значит, к устройству нужно будет подключиться как-то иначе (например, по UART или SSH), либо активировать поддержку на этапе подготовки образа системы. По этому протоколу работают многие тачпады и клавиатуры ноутбуков, поэтому этот вариант можно использовать для их прямого подключения.
Подключение по UART, SPI или I2C со своей реализацией протокола. Клавиатура - достаточно простое устройство, и написать для неё свой скрипт или драйвер для Linux не так сложно. У данного подхода есть два недостатка. Первый: клавиатура может не работать в системе в момент загрузки или в случае какого-то сбоя, поэтому должна быть возможность подключения другой клавиатуры для настройки или восстановления системы. Второй недостаток: нужна первичная настройка и установка скриптов/драйверов после установки системы.
По механической части клавиатуры тоже есть несколько вариантов:
Для компактных решений подходит клавиатура от BlackBerry, они доступны в продаже как запчасти.
Для устройств покрупнее можно взять за основу готовую Bluetooth-клавиатуру и развести свою плату под её кнопки.
Для крупных изделий можно использовать клавиатуры от различных ноутбуков: они бывают самых разных форм и размеров.
Мой тестовый стенд
После анализа доступных технологий я понял, что задача разработки собственного устройства до сих пор остаётся достаточно сложной и ресурсоёмкой. Я решил максимально упростить процесс и в качестве материнской платы использовать одноплатник в форм-факторе Raspberry Pi Zero. Это сводит разводку собственной платы к минимуму, а такой формат неплохо вписывается в габариты компактного устройства.
На своей плате я планировал разместить кнопки клавиатуры, цепи питания, адаптер для подключения дисплея и микроконтроллер, который будет обеспечивать функционал периферии.
Первая проблема: из всех десятков одноплатников в форм-факторе Raspberry Pi Zero только три модели поддерживают интерфейс MIPI DSI для дисплея: Radxa Zero 2 Pro (процессор Amlogic A311D), безымянная плата на базе RK3566 и Orange Pi Zero 2W. При этом две из них немного отличаются по размеру от стандарта, а плата от Orange построена на процессоре Allwinner, которые плохо подходят для DIY-проектов из-за слабой поддержки сообществом. Мой выбор пал на Radxa Zero 2 Pro.
Выбор дисплея оказался ещё сложнее. Я долго изучал, какие варианты совместимы с моей платой, какие драйверы будут доступны, и искал экраны, для которых есть хоть какая-то документация. В итоге я выбрал 5-дюймовый экран на драйвере ST7701 с разрешением 480x854, который планировал подключать через самодельный адаптер.
Для отладки я выбрал клавиатуру M5Stack CardKB II, которую можно перепрограммировать под свои задачи.
Для питания сборки я подобрал аккумулятор ёмкостью 5000 мА·ч и различные отладочные платы питания/зарядки на 5 В.
Проблемы
Первые проблемы оказались связаны с одноплатником. Выяснилось, что у моего одноплатника всего два порта USB, и вывести дополнительные линии невозможно. Это сильно усложняет подключение клавиатуры, карт памяти и другой периферии. Даже для отладки подключить одновременно клавиатуру и мышь (или клавиатуру и флешку) оказалось проблемой, т. к. второй порт по умолчанию работает в режиме OTG, а имеющийся у меня хаб с этой платой не заработал. При выборе платы я не учёл этот момент.
Вторая проблема также связана с платой: она оказалась непопулярной. Для неё мало готовых образов ОС, отсутствует активное сообщество, и с любой проблемой ты оказываешься один на один. Да и банально купить такую плату сейчас уже почти невозможно; если потребуется замена, это станет серьёзной трудностью.
Кроме того, я выявил ряд проблем в программной части: курсор мыши на экране мерцает, видео на YouTube нормально воспроизводится в окне, но при разворачивании на полный экран начинает тормозить.
Самые большие трудности возникли с подключением экрана. Перед подключением я решил прозвонить контакты и обнаружил, что распиновка не совпадает с изображением на странице магазина на AliExpress, где я его покупал. После общения с продавцом он выслал мне правильную схему. Затем я несколько дней настраивал драйвер на одноплатнике для вывода изображения через интерфейс DSI. Мне удалось добиться появления сигналов на порту, но картинки на экране я так и не увидел. Что делать дальше в данной ситуации, я не понимаю. В не понимаю чём именно проблема и как её диагностировать, мне не хватает опыта в этом вопросе.
Положительные моменты
Мне удалось скомпилировать и запустить образ Armbian для данной платы. Сама плата работает неплохо: её производительности достаточно для решения простых задач. Кроме того, видеоядро функционирует корректно - на нём пошли простенькие игры и FreeCAD.
Также получилось разобраться с интерфейсами UART, SPI и I2C, поэтому проблем с подключением периферии к ним быть не должно.
Я также исследовал вопрос энергопотребления платы. В простое она потребляет ~1,4 Вт (при выводе изображения через HDMI), а под нагрузкой пиковое потребление возрастает до 5 Вт. Моего аккумулятора должно хватить примерно на 7 часов работы при небольшой нагрузке. Это не самый лучший показатель (смартфоны экономичнее), но и не самый плохой: для комфортной работы этого времени должно быть достаточно.
Выводы
Задача, казавшаяся простой на первый взгляд, оказалась гораздо более трудоёмкой. Для проектирования своего устройства требуется много времени, тестов и работы с ПО. При интеграции периферии возникает множество нюансов, которые невозможно предусмотреть на этапе проектирования.
На данный момент мой энтузиазм немного угас, и мне придётся вернуться к этапу анализа и выбора компоновки. Я хочу сосредоточиться на сборке рабочего макета, который реализует полный функционал без жёстких требований к габаритам, и уже отталкиваясь от него, думать о варианте компоновки в компактном корпусе.